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激光釬焊的質(zhì)量控制

查看：1479 　發(fā)稿日期：2016-01-13 17:38:24

20世紀(jì)80年代中期，激光焊接技術(shù)開始被大量應(yīng)用到汽車領(lǐng)域。自1993年德國(guó)大眾首次在汽車頂蓋焊接生產(chǎn)線中采用YAG激光焊接進(jìn)行大批量生產(chǎn)，如今，激光焊接已經(jīng)被作為一種成熟的技術(shù)應(yīng)用于越來越多的汽車生產(chǎn)廠家。
激光釬焊及其質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
目前，應(yīng)用于車身的激光焊接主要有兩種方式：一種為熔焊，不需要填充物質(zhì)，激光直接作用在工件表面上進(jìn)行焊接，主要用于難以接近的部位，實(shí)施非接觸遠(yuǎn)程焊接，如汽車四門內(nèi)板分總成、B柱內(nèi)板總成等工件的焊接；另一種為填充焊，即業(yè)界通常所說的“釬焊”——激光發(fā)生器發(fā)出的激光束聚焦在焊絲表面上加熱，使焊絲受熱熔化（母材未熔化）潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙，與母材結(jié)合，形成焊縫（原理見圖1），實(shí)現(xiàn)良好的連接，主要用于汽車頂蓋、行李箱蓋等工件的焊接，表面質(zhì)量要求非常高。

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圖1 激光釬焊原理

奇瑞公司A5車型的行李箱蓋外板就采用了激光釬焊工藝進(jìn)行焊接（設(shè)備組成見圖2）。奇瑞A5的行李箱蓋外板為冷軋低碳鋼板，采用卷對(duì)接接頭，焊縫長(zhǎng)約1.2m，焊絲為φ1.2mm的硅青銅焊絲。

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圖2 激光釬焊系統(tǒng)的組成

激光焊接是一種高精度、高自動(dòng)化、高柔性的焊接工藝，要實(shí)現(xiàn)完美的焊接質(zhì)量，不僅需要先進(jìn)的設(shè)備，更需要與之匹配的工藝參數(shù)，其加工過程中的眾多參數(shù)公差范圍窄，要求非常苛刻。此外，激光釬焊有著比激光熔焊更高的表面質(zhì)量要求，故其焊接質(zhì)量的控制難度更高。
對(duì)于車身的釬焊焊縫質(zhì)量，主要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有：
1.焊縫無中斷、未熔合、無連接等現(xiàn)象；
2.焊縫上沒有氣孔或僅有1～2個(gè)小孔或凹孔（轉(zhuǎn)角處）；
3.焊縫兩側(cè)母材無燒損；
4.焊縫或母材上無裂紋；
5.焊縫表面光滑平整且寬度均勻，應(yīng)避免呈魚鱗狀、凸型和寬窄不均；
6.焊縫與母材之間無咬邊或假焊（無釬料，母材直接熔焊）缺陷；
7. 焊縫始端與末端無釬料的堆積或缺失或殘余未熔化的焊絲等現(xiàn)象。
結(jié)合這些質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，我們對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的焊縫質(zhì)量控制問題進(jìn)行了深入的研究和實(shí)踐。
影響激光釬焊質(zhì)量的因素及質(zhì)量控制
在激光釬焊的項(xiàng)目調(diào)試及批量生產(chǎn)階段，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)以往的各類質(zhì)量問題，我們發(fā)現(xiàn)，影響激光釬焊焊縫質(zhì)量的因素主要有送絲位置、焊接參數(shù)、母材尺寸的穩(wěn)定性、焊接夾具以及焊接表面油污等，并針對(duì)這些因素進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和控制，保證焊接質(zhì)量。
1.送絲位置
送絲位置是指焊絲與激光束及母材的相對(duì)位置，包括兩個(gè)參數(shù)：送絲角度和焊絲高度（見圖3）。

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圖3 送絲角度與焊縫質(zhì)量

（1）送絲角度與焊縫質(zhì)量
送絲角度包括兩個(gè)角度：一個(gè)是焊絲與焊縫平面所形成的夾角α；另一個(gè)是焊絲在焊縫所在平面投影位置與焊縫中心線所形成的夾角β。由于釬料熔化后，熔融釬料受到焊絲界面張力作用，阻礙釬料向母材潤(rùn)濕鋪展。當(dāng)夾角α增大時(shí)，界面張力向上的分力變大，釬料所受的阻礙作用增強(qiáng)，使得熔融釬料的流動(dòng)性變差，不易向前鋪展，易聚積成小球狀，不利于焊縫成形，故夾角α越小，焊縫成形越好。當(dāng)夾角β增大時(shí)，界面張力偏離焊縫中心線的分力變大，釬料所受的阻礙作用增強(qiáng)，使得熔融釬料的流動(dòng)性變差，不易向前鋪展，使焊縫偏離中心線，故夾角β越小焊縫成形越好。因此，在工藝編程時(shí)，應(yīng)適當(dāng)控制夾角，通常α<30°、β<15°可獲得良好的焊縫質(zhì)量。當(dāng)然實(shí)現(xiàn)控制夾角并獲得良好焊縫質(zhì)量的前提是送絲嘴不與母材發(fā)生干涉，并且機(jī)器人的動(dòng)作范圍可以到達(dá)此位置。
（2）焊絲高度與焊縫質(zhì)量
焊絲高度是指焊絲末端距母材的距離h。由于焊絲末端熔化后會(huì)受到表面張力及重力的作用，表面張力促使熔化的釬料在焊絲末端收縮成小球狀，重力的作用使熔化的釬料脫離焊絲，當(dāng)h大于釬料所能形成的最大的液滴（即熔化的釬料液滴僅在重力的作用下脫離焊絲）直徑時(shí),焊縫呈珍珠狀排列；當(dāng)h小于釬料所能形成的最大的液滴直徑并大于零時(shí)，焊接初期,釬料熔化后液滴與母材接觸時(shí)并未脫離焊絲,此時(shí)，熔融的釬料受到的表面張力、重力與焊絲對(duì)它的拉力達(dá)到動(dòng)態(tài)的平衡，液滴在母材表面潤(rùn)濕鋪展的過程相對(duì)穩(wěn)定。隨著焊絲的送進(jìn)與熔化，焊絲和熔融釬料之間的拉力不斷變化，使焊接過程中的受力平衡不斷遭到破壞，形成焊縫中斷或氣孔。試驗(yàn)證明，h越小，焊接過程越穩(wěn)定。若h=0，并使焊絲與母材之間保持一定壓力（焊絲被母材稍微抵變形），此時(shí)焊絲與母材完全接觸，焊絲熔化后會(huì)立即在母材上鋪展，并在重力作用下填充接頭，焊接過程相當(dāng)穩(wěn)定，焊縫成形均勻美觀，可達(dá)到最佳焊接效果。
2.焊接參數(shù)
影響激光釬焊的焊接參數(shù)主要有：光斑直徑、激光功率、送絲速度和焊接速度。
(1)光斑直徑
光斑的直徑對(duì)釬料的鋪展影響較大。光斑直徑過小，激光集中在釬料上，對(duì)母材的加熱不足，釬料在母材上鋪展時(shí)冷卻過快，使釬料不易鋪展；光斑直徑過大，如果激光功率不夠則無法及時(shí)熔化焊絲，如果激光功率足夠則會(huì)嚴(yán)重?zé)龘p母材。對(duì)于卷對(duì)接接頭，光斑直徑與焊縫寬度（填充面寬度）基本一致時(shí)，釬料的鋪展較充分。例如A5車型的行李箱蓋外板對(duì)接焊縫寬度為3mm左右，光斑直徑調(diào)節(jié)為3～4mm，可獲得良好的焊接質(zhì)量。
(2)激光功率
焊絲熔化的速度取決于激光能量的大小，即激光功率。當(dāng)激光功率不足時(shí)，焊絲熔化速度慢，鋪展不充分，且作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低；當(dāng)激光功率過大時(shí)，焊絲熔化速度快，如果送絲速度跟不上，則焊縫的鋪展會(huì)間斷。激光功率的最大值受設(shè)備限制，調(diào)節(jié)激光功率的大小主要考慮其與焊接速度及送絲速度的匹配。
(3)焊接速度和送絲速度
焊接速度決定作業(yè)時(shí)間的長(zhǎng)短和生產(chǎn)效率的高低，所以應(yīng)根據(jù)設(shè)備可提供的激光功率的大小選擇適當(dāng)?shù)暮附铀俣纫蕴岣呱a(chǎn)效率。通常焊接速度越快，生產(chǎn)效率越高，但對(duì)于半徑較小的圓弧段焊縫或過渡段焊縫，過快的焊接速度產(chǎn)生的離心力將會(huì)阻礙熔融釬料的鋪展，使焊接過程不穩(wěn)定。選定了焊接速度（其最大值由機(jī)器人的性能決定）之后，需根據(jù)焊縫填充量的多少來匹配適當(dāng)?shù)乃徒z速度。送絲速度過快，焊縫表面會(huì)出現(xiàn)釬料的堆積，影響外觀質(zhì)量，送絲速度過慢則會(huì)使焊縫表面的出現(xiàn)下陷，過少的填充量會(huì)影響焊縫的焊接強(qiáng)度。當(dāng)然，送絲速度的調(diào)節(jié)也需要同時(shí)考慮激光功率的大小。
3.其他因素
影響激光釬焊焊縫質(zhì)量的其他因素主要有以下幾個(gè)方面：母材尺寸的穩(wěn)定性、焊接夾具和焊接表面油污等。
(1)母材尺寸的穩(wěn)定性
母材的定位孔尺寸及卷對(duì)接接頭的尺寸對(duì)焊接質(zhì)量及其穩(wěn)定性的影響極大，當(dāng)這兩個(gè)尺寸偏差較大時(shí)，實(shí)際的焊縫中心就會(huì)偏離理論的焊縫中心，焊絲隨著焊縫中心的偏離而偏離激光束的中心，熔融釬料也會(huì)偏離焊縫中心鋪展凝固，導(dǎo)致單側(cè)產(chǎn)生氣孔，接頭強(qiáng)度降低。如果母材的尺寸偏差始終一致，則可以通過調(diào)整夾具及送絲位置來保證焊接質(zhì)量。如果母材的尺寸穩(wěn)定性差，則無法通過上述方法來保證焊接質(zhì)量。
(2)焊接夾具對(duì)焊接質(zhì)量的影響
要保證焊接質(zhì)量，焊接夾具應(yīng)首先保證焊縫中心的位置精度，即保證卷對(duì)接接頭的位置精度。由于汽車薄板沖壓件存在一定的反彈量，因此，夾具的定位夾緊點(diǎn)應(yīng)靠近焊縫中心，并且有足夠的定位夾緊力。其次，夾具定位夾緊裝置應(yīng)具備良好的導(dǎo)熱性能及抗熱變形性能，以保證夾具不會(huì)因長(zhǎng)期受熱變形而影響自身的精度及耐用性，或者可以在定位夾緊裝置中增加冷卻裝置提高散熱效果。其三，夾具體的固定方位應(yīng)盡量使所有對(duì)接面垂直于水平面，以便熔融的釬料可以利用自身重力更好地填充對(duì)接面。
(3)焊接表面油污對(duì)焊接質(zhì)量的影響
油污在焊接過程中很容易被氣化形成氣孔，影響焊接質(zhì)量，所以母材在焊接前應(yīng)處理掉焊縫表面及對(duì)接面的油污。
上述各種因素在調(diào)試和生產(chǎn)中都需工程技術(shù)人員密切關(guān)注，當(dāng)出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)，應(yīng)根據(jù)焊接缺陷的現(xiàn)象，分析其相關(guān)影響因素的工藝參數(shù)是否發(fā)生變化，確定產(chǎn)生問題的原因，采取相應(yīng)措施，此外還應(yīng)排除由于送絲嘴磨損、透鏡磨損等機(jī)械故障原因造成的影響。
結(jié)論
根據(jù)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐跟蹤和分析，送絲位置、焊接參數(shù)、母材尺寸的穩(wěn)定性和焊接夾具等因素對(duì)激光釬焊的焊接質(zhì)量有著決定性的影響，設(shè)置合理的工藝參數(shù)是保證低碳鋼激光釬焊質(zhì)量穩(wěn)定性的前提。
從市場(chǎng)需求的角度來看，現(xiàn)代化汽車工業(yè)的快速發(fā)展要求汽車生產(chǎn)廠家在提高效率的同時(shí)提高制造質(zhì)量，因而汽車廠的主要生產(chǎn)線都在逐漸向全自動(dòng)化的方向發(fā)展，車身焊裝生產(chǎn)線也不例外。激光焊接技術(shù)的應(yīng)用正迎合了這種發(fā)展需求，不僅實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，使生產(chǎn)效率大幅提高，而且可以達(dá)到很高的焊接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了完美的車身外觀，對(duì)汽車企業(yè)的品牌提升也發(fā)揮著重要的作用。

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